离岸人工岛内水环境的影响研究

朱宇新，李 欣（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456）



离岸人工岛内水环境的影响研究

朱宇新，李 欣
（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456）

摘要：近年来，沿海各地通过填海造地的方式向海洋要地，建设港口及旅游业，导致填海工程对所在海域水体交换能力发生变化，影响水环境。本研究针对北戴河新区拟建人工岛，对不同功能建设方案进行研究，运用MIKE21 flow model 模块探讨研究人工岛后在不同开口条件下所在海域的水体交换、污染物扩散及污染物存留率的变化规律，进而评价人工岛对水环境的影响。在考虑人工岛景观与自身净化能力达到要求的前提下， 综合考虑人工岛和水环境的诸多因素，给出了可供规划参考的人工岛推荐方案。

关键词：人工岛；北戴河新区；MIKE21 FM；水交换

引 言

在近海开敞水域里建设离岸式人工岛，将会对周边水动力及水环境条件产生影响，为了保护海洋环境、促进旅游人工岛健康、可持续发展，需要对人工岛布置方案进行研究，通过人工岛布置方案及周边水动力条件的研究，分析有利于岛内水交换的布置情况［1］， 提出人工岛建设的推荐方案。

本文利用MIKE21 FM模块，对人工岛所在海域潮流场及岛内水质情况进行模拟研究，对人工岛内部不同开口布置方案进行分析，既解决了实际问题，也为从事这方面研究的技术人员提供了参考资料。

1 研究内容及方法

1.1 人工岛位置及海区情况介绍

人工岛位于抚宁县洋河口与人造河口之间、森林公园东侧的近海海域，人工岛离岸0.5 km，外形为半径0.5 km的圆，外围设防波堤，防波堤外侧周长3 824 m，顶宽76.5 m，中间为1 141 m的中央干道，岛上东西两侧分别设置50 m宽的口门，以供岛内海水交换和通航要求；在岛内设置14个半岛，通过开设过水通道来增加内部水交换能力。

人工岛所在海域多年平均气温11.0 ℃，年平均最高气温16.8 ℃，年平均最低气温6.3 ℃。年平均风速2.2 m/s，4月平均风速最大， 8月份平均风速最小；该海域为规则日潮型，平均高潮位1.24 m，涨潮流向WSW，落潮流向ENE，与等深线平行，常浪向为S，次常浪向SSW；场区属于海蚀型砂质浅滩。

1.2 研究方法、模拟条件

作为旅游人工岛，其内部水体交换能力一直是研究的重点，本次研究中对内部半岛调整、水道的设计来分析其水体交换能力。根据前人的研究［2］，水体交换能力通常采用水体半交换周期来进行衡量，即在相同体量条件下，一半水体通过物理扩散迁移出去所需要的时间，水体半交换周期越短，其水交换能力越强，反之则水交换能力越弱。

在研究水交换过程中，以溶解态的保守物质作为人工岛内的示踪剂，通过建立对流-扩散型的海水交换数值模型对人工岛的水交换进行模拟研究。

考虑到人工岛位于洋河口与人造河口之间森林公园东侧的近海海域，人工岛的建设将会对局部水动力条件产生影响，故为了保证所采用模型在研究海域的准确性，计算开边界远离人工岛，所选取的计算区域（如图1所示），西起岸线，南至抚宁，北至北戴河海港区，东至外海-25 m等深线处，南北跨度51.7 km，东侧开边界距人工岛约38.8 km，模型范围内水域面积约2 127 km2。

图1 计算区域及验证点位置

对整个计算区域用非结构化网格进行剖分，在人工岛附近加密剖分，其中最小网格边长13 m，最小网格面积107.2 m2，外海网格宽度相对较大，全部计算区域共生成 28 134个三角元，结点14 746个（如图2所示）。

图2 计算区域的网格部分

为了研究人工岛内不同布置方案条件下的水交换情况，对主要四种通道方案进行研究，各方案局部网格剖分如图3所示。

图3 各方案网格剖分

1.3 模型验证

潮流数学模型验证采用2010年8月的现场实测水文资料［3］，共对9个潮流站和1个潮位站进行验证，结果表明：计算的水位过程与实测资料吻合较好；计算流速值与实测流速吻合较好，且流态也较合理，能够反映出工程区附近海域的潮流状况，可用于进一步工程问题的研究。

图4 潮位验证

图5 流速验证

图6 流向验证

2 方案计算

2.1 纳潮量计算结果

人工岛内各方案的布置将会改变岛内水体的纳潮量及潮流场，为了分析各因子对水交换的敏感程度［4～5］，本文对不同布置方案下的平均纳潮量进行了分析。

表1给出了在不同方案布置情况下，人工岛内纳潮量与水体总量的关系，从表可以看出人工岛岛内水域面积较小，约53 hm2，岛内增设过水通道及改变局部半岛的透水属性，基本不会改变平均纳潮量。但由于过水通道的改变，将改变岛内水动力条件，从而对岛内水交换能力产生直接影响，由此可见，在近岸区域布置人工岛，在人工岛外部轮廓确定的前提下，岛内布置结构的改变基本不会对岛内纳潮量产生明显影响，从而说明改善岛内水交换能力主要因素来源于岛内水动力条件的优化。

表1 不同计算工况、人工岛内纳潮量与水体总量的关系

2.2 水交换情况

在水交换计算过程中，假定水体浓度为均匀分布，并给定初始人工岛内污染物浓度为G0=1，岛外外水体浓度为G0=1，在潮流作用下，岛内外水体产生交换，在交换过程中岛内水质不断更新，浓度逐渐减小，岛内平均浓度变为 0＜G＜1，当岛内的平均浓度降低到 0.5时所用时间即为水体的半交换周期。半交换周期越短，则水体交换能力越强［6～7］。

通过对人工岛内不同布置及口门方案的研究，计算各方案下水体交换能力，可以发现，人工岛内部水流流态及动力条件是影响岛内部水体交换能力的主要因素，而岛内过水通道是改变水流流态最主要因素。具体表现为：

1）通过统计人工岛内各结占交换率所占水域面积的占标率情况（即岛内某个时刻、相同交换率所占水域面积与岛内总的水域面积的比值），以方案一为例分析得知，从起始时刻起，岛内交换率在20 %以下面积的占整个水域面积的比率从89.3 %逐渐下降，在100 h后降至32.1 %；交换率在20 %～60 %间的占标率在整个模拟期间基本稳定，维持在20 %以下；而交换率在80 %以上的水域面积随着时间的推移逐渐增大，在100 h的模拟周期内，占岛内水域面积可达到30 %以上。根据分析可以说明在水体交换过程中，岛外水体通过口门向岛内侵入，逐渐将高浓度（G0=1）的水体混合、携带出岛外，在此过程中，交换率在20 %～60 %之间的水域面积为过渡的临界水域，所占整个岛内水域面积较小，仅占人工岛30 %的水域面积，而其他水域面积或为人工岛底部、高浓度、难以扩散的区域，或为接近口门附近、低浓度、易交换的区域，但随着时间的推移，人工岛底部、高浓度、难以扩散的区域也将逐渐被稀释。

2）从方案一与方案二中交换率为 0～10 %和80 %～90 %在各个时刻对应的占标率可以看出（如图8所示），在人工岛内过水通道不变的情况下，方案二通过减少人工岛内填海用地的面积，从而增大水域面积，增大岛内纳潮量，有利于岛外水体涌入、混合，对起始时刻岛内水体浓度下降具有重要作用，但在长时间交换过程中，高浓度和低浓度水体所占岛内水域面积基本一致，不利于岛内底部水体的交换。由此可见，通过减少人工岛内填海区、增加纳潮量不能有效提高岛内水交换率。

图7 方案一中各交换率所占水域面积的占标率对比曲线

图8 方案一二对比曲线

3）方案三与方案四是在人工岛中轴线上开设过水通道，来改变岛内水动力条件，从而达到改善内部水体交换的目的。统计各方案下岛内总水体交换率变化（如图9和表2所示）可以发现，水体半交换周期差异较大，这主要与岛内水动力强弱有关，其中方案一与方案二的水体半交换周期分别为79 h和44 h，方案三开设了三个过水通道，但在涨落潮过程中潮流均从中间的过水通道穿过，而对两侧的水动力条件影响较小，在西北侧的水交换速度仍较弱，在此方案下水体半交换周期为 29.5 h；而仅在岛内西北与东南设置两过水通道后（方案四），潮差的影响将加强岛内水动力条件，尤其加强了岛底部的水流条件，更有利于底部水体的交换，水体半交换周期为27.3 h，在100 h后水交换率可达到75 %，如图10所示。

表2 不同计算工况条件下人工岛各时刻水体交换率情况

图9 各方案布置下岛内总水体交换率变化曲线

图10 各方案布置下100 h后岛内水交换率分布情况

4）通过对人工岛内部多方案布置的研究，可以发现，在人工岛内部西北侧区域的水体交换较缓，所以在优化设计中尽可能加大方案四中西北侧的通道，以便于西北侧水体的交换。通过预测在西北侧通道由20 m增大为60 m后，整个人工岛内水交换能力有较大地增强。

图11 方案四优化后的布置及100 h后水交换率情况

3 结 语

人工岛作为一种实现填海造陆的手段，越来越多地应用于港口建设及旅游项目的建设中，人工岛对海域的影响不仅仅是对水动力环境的影响，更多的是由于人工岛建设改变了水动力环境而带来的水质环境的影响，为了保护环境，使工程建设不造成难以预料的环境影响，开展人工岛对海域水环境影响的数值研究是必要的［8］。本文通过对北戴河新区人工岛内部水质的研究，分析在不同方案布置条件下水交换率的情况，结果表明：

1）在近岸区域布置人工岛，由于人工岛内水域面积相对较小，岛内布置结构的改变不会明显改变岛内纳潮量；纳潮量的增大，对内部高浓度水体交换有一定作用，但并不是影响水交换能力的主要因素；岛内水交换能力的大小主要取决于岛内水动力携带作用的强弱；

2）当在人工岛中间开设过水通道时，潮流直接从通道内穿过，而岛屿两翼的水动力改善不明显，因此两翼位置水交换率没有明显提高；

3）在岛内西北与东南设置两过水通道后，潮差的影响将加强岛内水动力条件，明显地改善了岛内水流条件，极大提高了水交换率；考虑到人工岛西北侧水交换相对较弱的情况，应加大在西北侧过水通道的布设，对整个岛内的水交换能力有增强作用。

本文对人工岛内水环境的研究，通过多方案过水通道的布置，使得岛内水流流畅，有利于水体交换，为规划设计提供了可参考的方案。

参考文献：

［1］ 李欣，朱宇新.葡萄岛旅游综合项目海洋环境影响报告书［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2010.

［2］ 陆敏，孙志国.人工岛对海湾水环境影响数值研究［J］.海洋工程，2011，29（3）：88-95.

［3］ 王中起，韩志远.秦皇岛海域水文泥沙特征分析［J］.水道港口，2010，31（4）：247-252.

［4］ 龚煌，孙大鹏.采用三维潮流模型分析人工岛对海湾污染物运动的影响［J］.水道港口，2013，34（3）：264-270.

［5］ 岳娜娜，吴建政.离岸人工岛对砂质海岸的影响［J］.海洋地质动态，2008，24（4）：12-22.

［6］ 魏皓，田恬.渤海水交换的数值研究［J］.2002：32（4）：519-525.

［7］ 郭磊，杨树森.江苏如东人工岛工程对周边海域水动力的影响［J］.水道港口，2009，30（5）：342-346.

［8］ 张名亮，吴伟强.江苏新月形人工岛建设探讨［J］.海洋开发与管理，2011，（3）：30-33.

Effect of Water Environment of Offshore Artificial Island

Zhu Yuxin， Li Xin
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering.， M.O.T.， Tianjin 300456， China）

Abstract：Recently， many sea reclamation projects have been carried out along China coastal line in order to construct port and develop tourism， which results in the change of water exchange capacity and impacts local water environment.Based on the proposed artificial island in Beidaihe new district， the schemes that consider different functions are compared and analyzed， MIKE21 flow module is used to study the variation of water exchange， pollutants diffusion and retention rate under the condition of different entrances of artificial island.In addition， an evaluation is made for the effect of artificial island on local water environment.At last， a suitable layout plan of artificial island is put forward by considering relevant factors， and the artificial island layout must meet the landscaping and self-purifying requirements.

Key words：artificial island； Beidaihe new district； MIKE21 FM； water exchange

中图分类号：U651+.3

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2016）02-0001-05

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160201

收稿日期：2015-04-13

作者简介：朱宇新（1982-），男，高级工程师，主要从事海洋环境与评价工作。